不連續(xù)埋地管線(xiàn)在沉陷情況下的響應(yīng)分析

焦向英 鄭海華

0 引言

采用連續(xù)直管模型進(jìn)行計(jì)算分析，這是管道分析模型中最簡(jiǎn)單的模型。但是在實(shí)際工程中，管線(xiàn)的制作長(zhǎng)度是受到一定條件限制的，不可能一直是連續(xù)的，是由柔性和剛性的節(jié)點(diǎn)相連接而成的，計(jì)算分析時(shí)可以用直埋分段管體模型來(lái)模擬實(shí)際管線(xiàn)，管段間由節(jié)點(diǎn)相連接，節(jié)點(diǎn)用軸向和彎曲扭轉(zhuǎn)彈簧來(lái)模擬。我國(guó)眾多學(xué)者進(jìn)行了管線(xiàn)接口材料的研究，焦國(guó)梁等[1]對(duì)三種接口做法的鑄鐵管進(jìn)行了軸向拉伸試驗(yàn)得到了有效的分析結(jié)果。劉為民、孫紹平對(duì)國(guó)內(nèi)有代表性的四種接口形式的管線(xiàn)做了拉伸和彎曲試驗(yàn)[2]。肖五虎和楊林等對(duì)鑄鐵管承插接口做了拉伸和彎曲試驗(yàn)[3]。沈陽(yáng)建筑大學(xué)的周靜海也做了大量的地下管線(xiàn)抗拔和彎曲試驗(yàn)[4-7]。

本文主要研究自應(yīng)力水泥接口材料的不連續(xù)管線(xiàn)在沉陷情況下的響應(yīng)，為沉陷區(qū)不連續(xù)埋地管線(xiàn)的抗震設(shè)計(jì)提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 有限元模型建立

本文采用的算例[8]管材為 X-65型鋼，管徑為 300mm，管壁厚度為7mm，泊松比為0.3，埋深為1.5m，彈性模量為E=210GPa。假設(shè)管線(xiàn)埋于亞粘土中，土容重為 18 kN/m3，土體摩擦角為 30°，取土體的屈服位移uo=0.007 5m。本文中用到的鋼管的本構(gòu)關(guān)系如圖 1所示，本文采用的是等效彈簧邊界，等效彈簧的力與位移關(guān)系參考文獻(xiàn)[9]。本文借鑒前人[10]的經(jīng)驗(yàn)采用 60倍管徑的計(jì)算長(zhǎng)度，在沉陷區(qū)離交界面處 5 m和非沉陷區(qū)與交界面處 5m的地方各設(shè)一個(gè)接頭，相當(dāng)于管線(xiàn)每隔 10m設(shè)置一個(gè)接頭，假設(shè)兩側(cè)的場(chǎng)地條件相同，取一側(cè)場(chǎng)地的管線(xiàn)加以分析，這樣可以提高分析效率。在管線(xiàn)連接處兩端節(jié)點(diǎn)加上軸向和彎曲彈簧，管道節(jié)點(diǎn)彎曲彈簧[11]的性質(zhì)如圖 2所示，土體簡(jiǎn)化為三向彈塑性彈簧:一個(gè)軸向和兩個(gè)切向。軸向彈簧、水平方向彈簧及垂直方向彈簧的本構(gòu)關(guān)系分別如圖 3～圖 5所示，管線(xiàn)采用 4節(jié)點(diǎn)薄殼單元進(jìn)行劃分，沿管道圓周方向?yàn)?8個(gè)，沿管軸方向薄殼單元長(zhǎng)度為0.1m，薄殼上各個(gè)節(jié)點(diǎn)連接三個(gè)不同方向的彈簧，以代替管線(xiàn)與土的相互作用，殼模型的一端加上等效彈簧，等效彈簧處理成N個(gè)并聯(lián)彈簧，分配到這一端的各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，作為無(wú)限長(zhǎng)埋地管線(xiàn)通過(guò)沉陷的地震反應(yīng)分析模型的邊界，另一端加上沉降位移，這樣模型就可以模擬不均勻沉降的條件了。

2 計(jì)算結(jié)果分析

管線(xiàn)的計(jì)算長(zhǎng)度借鑒前人的經(jīng)驗(yàn)取 60倍管徑的計(jì)算長(zhǎng)度即20m，沉陷區(qū)域長(zhǎng)度10m，沉陷位移為0.3m，分6步施加，每步0.05m，進(jìn)行迭代計(jì)算，使其收斂。得到管線(xiàn)頂部、底部以及側(cè)部點(diǎn)的軸向、側(cè)向的應(yīng)力應(yīng)變值，本文主要取管線(xiàn)頂部的軸向、側(cè)向應(yīng)力應(yīng)變值，繪制應(yīng)力、應(yīng)變曲線(xiàn)。管線(xiàn)頂部點(diǎn)的軸向應(yīng)力曲線(xiàn)如圖 6所示，應(yīng)變曲線(xiàn)如圖 7所示，剪應(yīng)力 sxy向應(yīng)力曲線(xiàn)如圖 8所示，剪應(yīng)力sxz向應(yīng)力曲線(xiàn)如圖 9所示，剪應(yīng)力syz向應(yīng)力曲線(xiàn)如圖 10所示。圖11，圖 12分別顯示了自應(yīng)力水泥接口管線(xiàn)與連續(xù)管線(xiàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)。從圖 11，圖 12中可以看出，軸向應(yīng)力應(yīng)變值較大，是管線(xiàn)的控制應(yīng)力應(yīng)變，在接口處有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。從圖 11，圖 12中還可以看出，具有接口材料的管線(xiàn)最大應(yīng)力應(yīng)變值小于連續(xù)管線(xiàn)的最大應(yīng)力應(yīng)變值。

表1 管線(xiàn)控制應(yīng)力應(yīng)變值

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用等效彈簧邊界計(jì)算不連續(xù)管線(xiàn)在沉陷情況下的響應(yīng)，接口材料采用自應(yīng)力水泥材料，采用彈簧 14單元來(lái)模擬自應(yīng)力水泥材料的作用，在管線(xiàn)連接處加上軸向和彎曲彈簧，建立有限元模型計(jì)算，通過(guò)計(jì)算分析得到了有意義的結(jié)論，接口材料可以降低管線(xiàn)的最大應(yīng)力應(yīng)變值，但是在管線(xiàn)接口處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力應(yīng)變集中現(xiàn)象。表 1中顯示了自應(yīng)力水泥接口材料管線(xiàn)控制應(yīng)力應(yīng)變值與連續(xù)管線(xiàn)的控制應(yīng)力應(yīng)變值。從表 1中可知，有接口材料管線(xiàn)比連續(xù)管線(xiàn)的最大應(yīng)力降低了 19.78%，最大應(yīng)變降低了19.54%。

[1] 焦國(guó)梁.管道接頭實(shí)驗(yàn)研究報(bào)告[R].北京市政工程研究院研究報(bào)告，1989.

[2] 劉為民，孫紹平.管道接口的抗震實(shí)驗(yàn)研究[R].北京市政工程研究院研究報(bào)告，1998.

[3] 肖五虎，楊 林，王 筠，等.鑄鐵管承插口接頭性能的試驗(yàn)研究[J].地下管線(xiàn)抗震計(jì)算方法與工程應(yīng)用，冶金工業(yè)部建筑研究總院防災(zāi)抗震工程研究所，1991(1):66-67.

[4] 周靜海，湯 偉，楊永生.埋地UPVC供水管線(xiàn)接口受力全曲線(xiàn)關(guān)系[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(1):32-34.

[5] 周靜海，趙 爽，劉愛(ài)霞，等.地下UPVC供水管線(xiàn)柔性接口抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(3):407-409.

[6] 周靜海，趙海艷，葛 鵬，等.地下供水管線(xiàn)震害分析與鑄鐵管接口抗拉實(shí)驗(yàn)研究[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(5): 751-755.

[7] 周靜海，劉 飛，楊永生，等.地下UPVC供水管線(xiàn)柔性接口抗震試驗(yàn)[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(6):970-973.

[8] 高惠瑛.受場(chǎng)地不均勻沉陷作用的埋地管線(xiàn)反應(yīng)分析[J].中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，1996(10):33-34.

[9] 柳春光，馮曉波.采用等效彈簧邊界分析埋地管線(xiàn)在沉陷情況下的反應(yīng)[J].地震工程與工程振動(dòng)，2009(20):77-78.

[10] 馮啟明，趙 林.跨越斷層埋地管線(xiàn)屈曲分析[J].中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所，2001，21(4):80-87.

[11] 李 昕.供水系統(tǒng)地震可靠性分析[D].大連:大連理工大學(xué)，2000.